重慶市永川區(qū)某地源熱泵系統(tǒng)熱響應測試及分析

陳鵬

（廣東省建筑設計研究院　廣東　廣州　510010）

重慶市永川區(qū)某地源熱泵系統(tǒng)熱響應測試及分析

陳鵬

（廣東省建筑設計研究院廣東廣州510010）

2014年6月23日～25日對重慶市永川區(qū)某地源熱泵系統(tǒng)進行地埋管熱響應測試，通過對實驗數據的處理分析得到該地巖土初始溫度、巖土綜合熱物性參數（包括綜合導熱系數和綜合體積比熱容）以及單位延米試驗孔換熱量的參考值（雙U型埋管，放熱工況），從而對該地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的設計提供一定的參考。

地源熱泵系統(tǒng)；熱響應測試；土壤初始溫度；土壤熱物性

1　試驗原理

雙U地埋管在恒定加熱熱流的工況下，通過鉑電阻測得進、出口水溫并采用數據采集儀自動記錄，通過轉子流量計測得循環(huán)水量并人工讀取記錄，時間間隔均為10min，測試時長為35h。得到的測試數據采用三參數估計法確定土壤導熱系數、容積比熱和鉆孔熱阻。

三參數估計法的基本思想為：通過不斷調整待求參數，這里也就是土壤導熱系數、容積比熱和鉆孔熱阻。當實驗記錄水溫與對應時刻的理論計算水溫溫差平方和最小時的參數，即為最優(yōu)計算結果。這里將水溫平方差之和作為目標函數f，表達式如下：

式中：Ti——實測i時刻的水溫，℃；

Ti′——理論計算i時刻的水溫，℃；

n——測試數據的組數。

鉆孔外熱阻的計算分別采用無限長線熱源模型和無限長柱熱源模型，無限長線熱源模型鉆孔熱阻計算式為：

式中：Rground，L——線熱源模型鉆孔壁至無窮遠處的熱阻，（m·℃）/W；

q——熱流密度，W/m；

tb——鉆孔壁溫度，℃；

t∞——無窮遠土壤溫度，℃；

rb——鉆孔半徑，m；

α——巖土熱擴散率，m2/s；

τ——時間，s；

λs——巖土導熱系數，W/（m·℃）。

無限長柱熱源模型鉆孔熱阻計算式：

式中：Rground，C——柱熱源模型鉆孔壁無窮遠的熱阻，（m·℃）/W；

tr——距離鉆孔中心r處的巖土溫度，℃。

針對兩種模型在傳熱方面的滯后和超前效應，實際傳熱熱阻應介于兩者之間，故實際鉆孔熱阻可表示為：

Rground=wRground，L+（1-w）Rground，C

式中：Rground——鉆孔熱阻，（m·℃）/W；

w——線熱源鉆孔熱阻權重，取值為0～1之間。采用加權平均模型以及參數估計的方法計算巖土熱物性。保證標準差最小，即：

2　試驗設備

本次測試所用的設備有熱響應測試儀（定加熱功率型），見圖1所示；鉑電阻溫度傳感器、轉子流量計以及三相鉗形功率表，相應的參數列于表1。

圖1　熱響應測試儀現場照片

表1　測試用設備參數表

3　測試方法

3.1土壤初始溫度測試

按照設計要求現場鉆孔之后需讓其放置7d，待測試孔內巖土溫度恢復之后，在充滿水的U型管中插入PT100型鉑電阻溫度傳感器，測試土壤的初始溫度。鉆孔深度為100m，水溫測試間距為10m，共計10個。移動傳感器時，需在測點處停留約1min時間，待顯示溫度趨于穩(wěn)定，再進行下一測點的溫度測量，取各點溫度的平均值作為該處巖土的初始溫度。

3.2土壤的熱物性測試

將雙U地埋管與熱響應測試儀相連接，先試運行，在單獨運行水泵不加熱的工況下，檢查測試系統(tǒng)的接管處是否漏水；確保測試系統(tǒng)的氣密性后，對外露的管段保溫，開啟加熱器，進行熱響應實驗。測試儀水箱內部裝有固定熱阻的電加熱器，測試過程中保證恒定加熱熱流。分別記錄U型管進、出口水溫，加熱器功率以及轉子流量計流量，時間間隔為10min。

4　數據處理及分析

4.1土壤初始溫度

通過對測試數據的記錄，孔1和孔2土壤初始溫度測試結果見圖2所示。

圖2　土壤初始溫度曲線

從圖2可以看出孔1和孔2的測點的溫度與其對深度成對數關系，都隨深度的增大而升高，兩孔的平均初始溫度均為19.87℃。

4.2兩孔熱響應測試結果及分析

通過熱響應測試得到不同時刻兩孔的溫度值，孔1和孔2和進、出口水溫的測試結果見圖3所示。

圖3　兩孔進、出口溫度隨時間變化的曲線

從圖3可以看出，兩孔的溫度與時間成對數關系，均隨時間的推移而升高。兩孔進、出口溫度的差值由加熱功率的不同而引起，兩孔的加熱功率分別為5.9kW、4.1kW。采用三參數估計法計算得到兩處巖土的熱物性參數，列于表2。

表2　兩孔處巖土熱物性參數表

由表2可知，孔2處土壤導熱系數明顯大于孔1處，孔2鉆孔熱阻明顯高于孔1鉆孔熱阻。主要原因在于外孔2處下水量大，流動強度高，導致土壤綜合導熱系數較高，同時，鉆孔熱阻較低。孔1單位井深換熱量對應地埋管進出口水溫為34.6/32.2℃，孔2單位井深換熱量對應地埋管進出口水溫為31.4/28.8℃。分析發(fā)現，測試孔單位井深換熱量相當，但是對應的進出口水溫相差較大，說明孔2所在土壤散熱能力較孔1強，也間接證實了孔2地下水流動的存在。

5　結論

通過對孔1和孔2熱物性的比較可知兩孔散熱能力的不同，這是由于兩處水流動工況的差異引起的。同時，通過對雙U地埋管的熱響應測試，得到該處土壤的初始溫度和部分熱物性參數，從而對地源熱泵系統(tǒng)的設計和運行管理提供依據，使得系統(tǒng)經濟可靠的運行。

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TB65

A

1673-0038（2015）07-0062-02

2015-1-10

陳鵬（1989-），男，助理工程師，碩士，主要從事暖通空調設計工作。